[发明专利]气球轨道控制装置

说明书

本发明总地涉及气球的轨道控制，更具体地说，涉及一种远离气球的用于提供控制轨道所需的力的控制气球的装置。

迄今，用于控制自由气球(例如携带探测大气的科学仪器的气球)的轨道的装置还很少。由推进器驱动的飞艇可以例如通过调节推进器的速度和俯仰角来控制其轨道。但是，上述飞艇与自由气球相比，其可达到的高度和净装载量都是十分有限的。携带科学仪器的自由气球一般可在所需高度上于盛行风中自由地漂移，在许多情况下，必须预测到风会按计划将气球装置带入所需的区域或可避开某个禁区时，才可让上述这种气球升空。这种气球的飞行常常必须提早结束，以避免它飞出特定的地区，保证所载物品降落到合适的着陆点，或者避免对居民稠密区造成危害。即使具有少量的轨道控制能力，也可消除上述的必须提早结束飞行的原因。

以前考虑用来控制自由气球的轨道的方法有：推进器、选择不同风向的高度控制、和在长的系绳上装阻力伞。

推进器需要很大的动力来拖动气球通过大气。在科学气球通常要求的高海拔高度上空气十分稀薄，对于这样高的海拔高度，推进器必须十分庞大才能产生大的升力。而且，由于气球本质上需要使重量保持最小，所以，上述的强大动力的要求对于气球来说通常是不可行的。如果用太阳能电池来产生动力的话，那么在没有笨重的电池的情况下也不能进行夜间操作。如果通过燃烧燃油来产生推动力。那么由于携带的燃油重量有限，飞行时间也不能长。对推进动力的上述要求与需要保持气球系统重量轻的要求是相矛盾的。

已经进行过关于对比空气轻(LTA)的飞行器的推动原理的若干研究。J.J.Vorachek在第6届AFCKL(空军坎布里奇研究实验室)会议(1970年)上发表的“A Comparison of Several Very High Altitude Station KeepingBallon Concepts(几种使气球保持超高空飞行的原理的比较)”和R.R.Ross在Earth Observations From Balloons(从气球上看地球)会议上发表的“Advanced Balloon System as Photographic Platform(作为照相平台的先进气球系统)”中都讨论了由悬挂在较短系绳上的推进器推动的自然成形气球。这两篇文献都谈到带有悬挂在系绳上的推进器和发电机的自然成形气球的飞行试验。按照这两篇文献所述，上述气球装置由于需要大的推进能量，其飞行作业只限于两三天的时间。上述文献还谈到有关发动机在高的海拔高度上工作的困难。吸入空气的发动机需要几级增压，使空气密度增大到可有效地燃烧燃料的密度值。另外，无论是燃气发动机还是电动发动机都遇到排出大量废热以防止在稀薄空气中过热的问题。

还设计过其他的推进器推进的LTA飞行器，如Raven Industries公司Jack Beemer等于1975年在“POBAL-S，The Analysis and Design ofa High Altitude Airship(POBAL-S，高空气艇的分析与设计)”中所述的并为空军坎布里奇研究试验室制造的那种。该文献介绍了一种设计在21000米高空大约工作一星期的推进器驱动的飞艇。

上述的推进器驱动的气球和推进器驱动的飞艇都设计成可使LTA飞行器保持在地面特定装置的上空中。这种作业要求LTA飞行器在作业高度上按照等于风速的相对速度飞行。由于风速可达15～50m/s(50～150ft/s)，所以需要很大的动力。

另一种方法是控制LTA飞行器的高度，以选择一个风按照合适的方向(或者至少是接近于所需方向)移动的高度。这就是体育运动气球驾驶员使用热空气气球或氦气球时所用的主轨道控制技术。通过选择气球漂移高度而选择不同的漂移方向的方法也有许多缺点。第一，必须设置控制高度的装置。热空气运动气球的驾驶者可升高或降低提升气体的温度来调节高度，而氦气球的驾驶者则倾向于空投镇重物或者排出提升气体来调节高度。这种使用消耗品的方法大大地限制了飞行的持续时间。而且，携带镇重物也减少了飞行器可装载的重量。另一个缺点是，许多气球携带的科学仪器特别是用于天文学和天文地理学实验的仪器需要在高于大气层(99％)很远的高度下工作，在较低高度上不能得到优质的数据。而且，需要对不同高度的风有充分认识才能选择合适的高度。通常，在飞行过程中是不可能了解这样详细的。因此，体育运动的气球的飞行在寻找合适高度时常常要进行明显的试错。